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两级AO 工艺处理黑水研究

发布日期:2014-05-09 12:02:54  来源:本站整理  将本页收藏至:QQ书签 百度收藏

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两级AO 工艺处理黑水研究

                                        两级AO 工艺处理黑水研究
                            李辰,陈洪斌,刘富强,徐培嘉,何群彪
        (同济大学环境学院,城市污染控制国家工程研究中心,上海200092)
    摘要:黑水的COD和氮磷浓度高,常规处理工艺停留时间长、碳源利用率低。本研究在小试条件下采用两级AO工艺处理模拟黑水,考察了不同有机负荷以及体积回流比、SRT 等对于系统脱氮除磷效果的影响,探讨该工艺对各项污染物的去除特性。结果表明,在HRT=21.4 h、外体积回流比为100%、内体积回流比为250%,SRT=10 d时,出水COD为60 mg/L,NH3-N 和TN 质量浓度分别达到7.0、17.2 mg/L 以下,达到(GB 18918-2002)一级B 标准;但出水的TP质量浓度为3~4 mg/L,仍需化学辅助除磷。两级AO 工艺中的不同区段在污染物去除过程中发挥着不同的作用,延长第二级AO池的停留时间和增大内回流比,是增强该系统脱氮除磷的有效方式。
    关键词:黑水;两级AO工艺;脱氮除磷
    中图分类号:X799.3 文献标识码:A 文章编号:1000-3770(2013)03-0094-005
    家庭排放的生活污水按照来源和污染物浓度主要可以分为灰水和黑水2 种[1-2]。与灰水相比,黑水具有水量小、有机物和氮磷含量高、各种致病菌含量高等特点[3],因此目前黑水的处理方法主要是预处理之后直接生化处理排放和资源化回收营养物两大类。其中直接生化处理主要采用多段生物氧化法、膜生物反应器(MBR)法等[4-5],但存在能耗高、停留时间长、产生剩余污泥多等缺点[6-7],同时造成碳源的浪费。由于黑水的可资源化潜力较高,对于其中碳源和氮磷的回收一方面可以提高黑水处理的经济性,另一方面也起到降低后续处理难度的作用。目前主要采用厌氧生物法回收碳源[8-10],鸟粪石或化学法回收氮、磷[11-12],对于后续排出的低碳氮比污水只能采用OLAND[13]或厌氧氨氧化[14]处理排放,此类方法涉及的工艺都较为复杂,控制因素也较多,尚处于研究阶段。
    两级AO 工艺是将2 个AO 池串联,进水经过第一级AO 池流入第二级AO 池,仅在第二级AO池内设内循环,混合液经过二沉池沉淀后出水,二沉池底部污泥回流至第一级AO 池。本研究尝试采用该工艺处理黑水,在较高的负荷条件下,利用其抗冲击负荷能力强的优点,在不同的区段中各自发挥其脱氮除磷的作用,尽可能充分的利用进水中的碳源,减少脱氮除磷关于碳源的竞争,提高碳源利用率,同时对两级AO 工艺处理黑水的可行性和装置的体积比设置进行讨论。
    1· 试验部分
    1.1 试验水质
    由于居住区的黑水难以收集,根据上海市某居住区黑水检查井所取水样的水质特点[15],在生活污水的基础上加入糖蜜、蔗糖、氯化铵、磷酸氢二钾、碳酸钠等成分,模拟黑水水质如表1 所示。
            
    1.2 试验装置
    试验装置如图1 所示。两级AO 池的总有效体积为70 L,2 个AO 池的体积比为1:2.5,每一级AO池的A 段与O 段体积比均为1:1.5。第一级AO 池用于生物絮凝和生物除磷并排放富磷污泥,排放口设置在O1 段底部,通过混合液体积计算SRT。A 池均采用机械搅拌混合,O 池采用曝气砂头曝气,DO 质量浓度控制在1.1~4.0 mg/L。为强化第二级AO 池好氧段(O2)的生物硝化效率,加入了球状悬浮填料,粒径20~30mm,投配率为40%~60%。O2 段末设有内回流管道和泵,混合液回流到装置缺氧段入口(A2),内回流比例可调。O2 的出水进入竖流式二沉池,有效体积7.2 L,设计表面负荷为0.8 m3/(m2·h),沉淀池污泥全部回流到第一级AO 池的厌氧段进口(A1)。试验期间的各工况运行参数见表2 (工况1~工况5,第一级AO 装置与第二级AO 装置的体积比为1:2.5;工况6 将2 个AO 装置对调,2 个AO装置的体积比变为2.5:1;试验期间反应器内水温一直恒定在23~24 ℃)。
            
    1.3 取样和分析测试
    试验用接种污泥取自上海某城市污水处理厂二沉池回流污泥,逐步提高进水浓度至运行稳定后开始工况试验,每天定时取样,COD、NH3-N、TN、TP、MLSS、MLVSS 等均按标准方法测定[16];pH、温度、溶解氧等均采用便携式测定仪测定。
    2 ·结果与讨论
    2.1 COD 和TN 的去除效果
    从图2 中可以看出,两级AO 工艺对于黑水中COD 的去除主要集中在第一级AO 池,第一级AO池对COD 去除率在90.1%~94.6%之间,第二级AO池仅有少量的COD 去除,其中工况4 的COD 一级和总去除率最高,分别为94.6%和95.9%。从图3 的工况4 和工况5 的两级AO 池内沿程COD 变化趋势可以看出,由于回流的稀释作用,A1 段的COD 比进水减少一半,还有约200 mg/L 左右COD 在厌氧环境下被吸附或吸收到细胞内转化为糖原或PHAs等,为后续脱氮除磷储存能源,好氧O1 段内有380mg/L 的COD 被氧化分解或同化;第二级AO 池内COD 变化不大,可供代谢的外在碳源不多,反硝化所需碳源主要是利用细胞内储存的碳源提供,出水COD 基本稳定在45~65 mg/L 之间。由此可以看出,进水COD 负荷在0.22~0.55 kg/(kg·d)时,两级AO工艺具有较好的去除COD 能力,第一级AO 池可以实现COD 的有效吸附、降解,第二级AO 池可以进一步确保COD 的去除。
            
    由图4 可知,工况1 条件下一级AO 池对NH3-N 和TN 的去除率仅有42.6%和38.0%,排除进水的稀释作用,第一级AO 池生物硝化作用较弱,TN 的去除主要是靠回流污泥中所含的硝酸盐被反硝化。工况2 减少污泥回流比之后TN 的总去除率基本不变,一级去除率略微有所增加,降低污泥回流比后污水在装置内的实际停留时间增加[17],有利于硝化和反硝化的反应。
            
    增加进水的COD 负荷率后,TN 的一级去除率大幅提高。工况3 的NH3-N 和TN 一级去除率比工况2 分别提升20.8%和11.4%,总去除率分别达到88.3%和74.1%。工况4 降低SRT 至10 d 对TN 的总去除率影响不大,出水NH3-N 和TN 平均质量浓度分别为9.0 mg/L 和34.2 mg/L。工况5 增大内回流比至250%,污泥体积回流比仍为100%,TN 的总去除率从74.1%上升至83.5%,出水NH3-N 和TN 平均质量浓度降低至7.0 mg/L 和17.2 mg/L,其中TN一级去除率从64.8%略微增加至66.8%,TN 总去除率提高主要归因于第二级AO 发挥了作用。根据理论计算,每去除1 g TN 需要消耗约2.68 g BOD5,进入第二级AO 池内的COD 并不高,剩余的外碳源不足以完成反硝化反应,TN 去除率升高的原因可解释为反硝化菌利用第一级AO 池内的厌氧和缺氧阶段吸附和吸收的碳源进行内源呼吸产生的能量,满足反硝化脱氮的要求。
    工况6 与工况4 的运行参数没有任何改变,仅对调了2 个反应装置,两级AO 池的HRT 分配发生改变。从试验结果看,工况6 的NH3-N 和TN 的一级去除率及总去除率同工况4 相比,均大幅度降低,说明在高负荷条件下,总停留时间一定时,两级AO的体积比按照1:2.5 设置,更有利于脱氮反应的进行,利用内源呼吸进行反硝化脱氮需要较长的停留时间[18]。因此,延长第二级AO 池的停留时间和增大内回流比,是两级AO 工艺处理黑水提高脱氮效果的有效方式。
    2.2 TP 的去除效果
    从图5 中可以看出,同样由于回流污泥的稀释作用,工况1 的TP 的一级去除率和总去除率分别达到了49.3%和64.8%。工况2 的一级去除率和总去除率分别上升至54.2%和74.5%,主要是由于污泥回流比的降低增大了进水的实际停留时间,充足的释磷和吸磷时间是影响除磷效果的重要条件[19],另外来自回流污泥中的NO3-N质量浓度的降低也便有利于除磷菌关于碳源的竞争。
             
    工况3 增加进水负荷之后,TP 的一级去除率和总去除率降低至37.0%和46.4%。工况4 调整SRT至10 d 后,TP 的总去除率上升至71.2%。工况5 加大内回流比并增强反硝化作用,降低了NO3--N 对除磷的影响,所以TP 的一级去除率和总去除率均有所提高,分别达到34.7%和81.0%,说明NO3--N 也是两级AO 除磷的重要影响因素。结合表3,按照进出水TP 质量浓度和外体积回流比100%,可以计算出工况3、4、5 第一级AO 的释磷质量浓度分别为3.0、8.4、10.1 mg/L,由此表明在该装置中厌氧段充分释磷是决定着后续好氧吸磷量的重要条件,而工况4和5 分别降低SRT 和增大内回流比均有利于除磷菌发挥释磷作用。工况6 将2 个反应器调换,脱氮效果的降低使得TP 的一级去除率和总去除率分别提高至69.0%和81.6%,结果表明,在高负荷条件下,总停留时间一定时,装置的体积比按照2.5:1 设置,更有利于除磷反应的进行。
               
    2.3 问题与讨论
    从两级AO 法处理黑水的效果来看,工况5 运行效果最佳,在HRT=21.4 h,外体积回流比为100%,内体积回流比为250%,SRT=10 d 时,出水COD、NH3-N和TN 分别达到60、7.0、17.2 mg/L 以下,达到(GB18918-2002)一级B 标准;但是TP 出水仍还有3~4 mg/L,需要化学辅助除磷。孔繁鑫[20]在研究倒置A2O 处理模拟黑水的过程中发现,当总HRT=33.3h,污泥龄SRT=10 d,污泥体积回流比为200%,内回流比为150%时,出水各项指标均满足二级标准,接近一级B 标准。可以看出,对于高浓度黑水的处理,两级AO 装置可以充分发挥其抗冲击负荷的能力,在高负荷状态下运行,能够更加充分的利用碳源进行脱氮除磷反应,随着第二级AO 装置停留时间的延长,脱氮除磷效果有望进一步提高,也可以辅助化学除磷手段在进水或出水端减少TP 质量浓度。
    由表4 可知,当两级AO 装置体积比为1:2.5时,工况4 和工况5 中90%以上的COD 在第一级AO 池中得到去除,50%左右的NH3-N 和TN 也在第一级AO 装置中得以去除,说明两级AO 装置可以优先利用进水中的碳源进行脱氮,之后的脱氮除磷主要是利用第一级AO 池中微生物吸附的碳源;TP 的去除则主要发生在第二级AO 池中,连续厌氧、好氧状态的交替,并没有对除磷菌在好氧段的吸磷反应造成影响,张志斌[21]等在改进AB 工艺脱氮除磷试验研究中发现,连续的厌氧、好氧交替,有利于提高除磷菌过度吸磷能力。当工况6 的两级AO装置的体积比调整为2.5:1 时,COD 的去除率仍然十分稳定,TP 的总去除率相比工况5 略微升高,主要集中在第一级AO 池,说明进水中的碳源优先用于除磷反应;但是NH3-N 和TN 总去除率大幅度降低,仅有51.5%和53.2%,主要是由于第二级AO 的HRT 仅有6 h,生物硝化和反硝化均不彻底。可见,为保证第二级AO 池的脱氮效果,增加第二级AO池的HRT 是必要的。

    3 ·结论
    采用两级AO 处理黑水,当进水的COD 负荷在0.22~0.55 kg/(kg·d)之间时,第一级AO 的COD 去除率为90%以上,第二级AO 池能够进一步保证COD 的降解。SRT 对脱氮效果影响不大,延长第二级AO 池的停留时间和增大内回流比,是增强脱氮效果的有效方式;出水COD、NH3-N 和TN 可以满足一级B 标准。
    当SRT 保持10 d、内体积回流比为250%时,TP 总去除率可以达到81.0%,但出水TP 质量浓度仍还有3~4 mg/L,辅助化学除磷是必要的。缩短SRT 和提高内回流比可以有效增大O1 段的释磷程度,提高除磷效率。
    两级AO 法处理黑水相比常规A2O 工艺,抗冲击负荷能力强,对碳源的利用程度更高;装置体积比按照1:2.5 设置,更有利于脱氮除磷反应的进行,系统可以优先利用进水中的碳源进行脱氮,而连续厌氧、好氧状态的交替,对吸磷的影响不大。
    参考文献:略


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作者:佚名
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